Warum erzeugt eine Antenne Signale, wenn eine Wechselspannung angelegt wird und wie wird damit Sprache übertragen? Willkommen beim Funk, genauer gesagt, dem CB-Funk. Dieser ist immer noch wichtig, wenn es um Reisen und Geländefahren geht. In dieser Reihe bringen wir euch die Technik näher.
Jetzt müssen wir eine kleine Gratwanderung hinbekommen. Funk- und Signaltechnik ist sehr komplex, insbesondere im hochfrequenten Bereich, wenn es um den Megahertz- (MHz) und Gigahertzbereich (GHz) geht. Nicht umsonst heißt es in der Funktechnik „HF is a bitch!“ Gemeint ist damit, dass bei hochfrequenten Wechselspannungen jede Menge Effekte auftreten, die die Techniker in den Griff bekommen müssen. Da werden plötzlich Leiterbahnen auf Platinen zu Sendern, Leistung verschwindet irgendwo, das Signal kommt nicht dahin wo es soll. Da helfen oftmals keine Berechnungen und Vorhersagen mehr, nur noch das Probieren. Und genau da ist Funk und CB-Funk angesiedelt, im Hochfrequenzbereich.
Zur Einordnung: CB-Funk ist genauso ein Funksystem wie der Amateurfunk. Die Unterschiede liegen technisch in den Frequenzbereichen, den möglichen Sendeleistungen und den Voraussetzungen, die der Funker erfüllen muss. Der Amateurfunk nutzt Frequenzen unterhalb und oberhalb des CB-Funks und der Funker benötigt eine Ausbildung, an deren Ende die Lizenz steht. CB-Funk steht für „Citizens‘ Band Radio“, als dem Bürgerfunk. Offen für jedermann, dafür auf 4 Watt Sendeleistung beschränkt. CB-Funk liegt mit 27 MHz (26,565 MHz bis 27,405 MHz) im Hochfrequenzbereich.
Damit ist CB-Funk ideal für die Kommunikation auf kurzen Distanzen, an der jeder sofort teilnehmen kann. Es braucht nur ein Gerät, ein Kabel und eine Antenne und schon seid ihr dabei. Also fast… Es gibt halt gut funktionierende CB-Funk-Installationen und weniger gute. Wie ihr eine gute Installation hinbekommt erklären wir euch in diesem und den folgenden Teilen.
Grundlegendes zum Funksignal
Ein Funksignal ist immer eine Schwingung. Mit Gleichspannung respektive Gleichstrom kann kein Signal erzeugt und gesendet werden. Jeder Strom erzeugt ein elektrisches Feld (E) und ein magnetisches Feld (B) um den Leiter. Bei Gleichspannung wird ein Spannungspotential, z.B. 20 Volt, erzeugt und die Elektronen im Leiter fließen gleichmäßig in eine Richtung. Die entstehenden Felder sind ebenfalls statisch und an ihre Quelle (dem Strom im Leiter) gebunden. Es wird kein Signal abgestrahlt.
Wechselt die Polarität periodisch, vertauschen sich Plus und Minus ständig und die Richtung in der der Strom fließt kehrt sich entsprechend jedes mal um. Dann reden wir von einer Wechselspannung, die einen Wechselstrom zur Folge hat. Das kennen wir von Zuhause aus der Steckdose. Dort haben wir eine Wechselspannung, die mit 50 Hertz (Hz) 100-mal pro Sekunde die Polarität wechselt.
Dabei werden die Elektronen ständig extrem beschleunigt und gebremst. Durch diese Beschleunigungen bauen sie ein sich permanent veränderndes elektromagnetisches Feld auf und wieder ab. Dabei passiert das Entscheidende: Das elektrische und magnetische Feld sind nicht mehr statisch sondern ändern sich mit dem zeitlichen Verlauf. Sie werden versetzt zueinander stärker und wieder schwächer. Es gilt:
- Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld.
- Ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld.
Dadurch erhalten sich gegenseitig und erzeugen eine elektromagnetische Welle, die sich vom Leiter lösen kann und abgestrahlt wird.
Jetzt könnten wir denken, dass so keine Leistung und kein Signal übertragen wird, wenn die Elektronen sich nur hin und her bewegen. Dazu müsst ihr euch als Vergleich nur die Laola-Welle in einem Stadion angucken. Die Leute stehen auf, werfen die Arme hoch und setzen sich wieder hin. Sie haben sich nicht wegbewegt, aber die Welle läuft sichtbar über die Tribüne. So ist das hier auch. Sobald ein Elektron gezwungen wird extrem schnell seine Richtung zu wechseln, gibt es einen Teil seiner Energie als elektromagnetische Strahlung ab (= Aufstehen und Hände in die Luft werfen). Und schon haben wir unser Funksignal. Das Ziel des Funksystems ist es, dieses Signal vom Sender (Funkgerät) möglichst ohne Verlust und Störung zur Antenne zu übertragen, um es dort abzustrahlen.
Bei einem Funksignal passieren die Polaritätswechsel wesentlich schneller als bei unserem Strom Zuhause. Ein CB-Funkgerät generiert ein Signal mit einer Frequenz von ca. 27 MHz. In Folge wechselt die Polarität zwischen 54.000.000 mal pro Sekunde.
Frequenz und Frequenzband
Vielleicht habt ihr schon einmal gehört, dass CB-Funk im 11-Meter Band liegt. Was heißt das nun schon wieder? Das ist gar nicht so schwer zu verstehen. CB-Funk nutzt eine Frequenz von 27 MHz. Das bedeutet, dass das Signal 27.000.000 mal pro Sekunde schwingt.
Das so erzeugte Funksignal selbst bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) im Raum. Setzten wir beides in ein Verhältnis, ist das Ergebnis, das eine vollständiger Zyklus 34,04 Nanosekunden dauert und dabei 11,11 Meter zurück legt. Diese 11,11 Meter sind die Wellenlänge Lambda λ.
λ = c / f
11,11 m = 300.000 km/h / 27 MHz
AM und FM
Jetzt bleibt noch die Frage, wie wird die Sprache über diese Welle übertragen? Da bietet der CB-Funk zwei Verfahren an: AM und FM. AM steht für Amplitudenmodulation. Wenn wir in das Mikrofon sprechen erzeugen wir positiven und negativen Schalldruck. Dem Schalldruck folgend wird die Spannung (= Amplitude) um eine Basisspannung angehoben oder abgesenkt. Bei einem 4 W CB-Funkgerät mit 50 Ohm Impedanz (Erkläfung folgt noch) ist die BAsisspanug ca. 14,1 Volt, die Spitzenspannung ca. 20 Volt, respektive -20 Volt.
Für den Empfänger ist aber die Höhe der Amplitude gar nicht wichtig, sondern die Änderung der Amplitude selbst. Im Empfangsgerät erzeugen die empfangenen Signalwellen wieder einen Strom und eine Spannung (ein paar Mikrovolt). Diese wird verstärkt, so dass die Amplitudenänderungen wieder deutlich werden. Der Empfänger liest das Signal dann nicht aus der eigentlichen Höhe der Amplitude (Spannung), sondern aus der Änderungsrate der Amplitude über die Zeit. Darin steckt die Information der Sprache, die dann wieder in ein hörbares Signal umgewandelt wird. Diese Aufgabe erledigt der Hüllkurvendetektor.
Der Nachteil bei AM ist, dass alle möglichen elektrischen Geräte und Anlagen im Auto oder außerhalb dem Funksignal falsche Amplituden hinzufügen, was das Sprachsignal verfälscht. Das kann z.B. die elektronische Zündung im Fahrzeug sein, ein Gewitter oder große elektrische Anlagen in einer Industrieanalge. Mit anderen Worten, das Signal ist anfälliger für Rauschen und Knacken. Seltener, aber auch möglich, ist eine unterschiedliche Abschwächung einzelner Amplituden durch Umgebungsmerkmale, die so auch das Signal verfälschen.
Bei FM wird die Frequenz verändert. Ausgehend von der Basisfrequenz 27 MHz wird diese erhöht oder reduziert. Die Signalwelle staucht oder dehnt sich, abhängig von Lautstärke und Frequenz dessen, was wir in das Mikro sprechen. Auch hier erkennt der Empfänger an der Differenz zur Basisfrequenz die Information. FM ist weniger anfällig für Rauschen, da die Amplitudenhöhe egal ist. Das Signal bleibt erhalten, auch wenn die Signalstärke (die Amplitude) abnimmt.
Die Impedanz, oder die ominösen 50 Ohm
Es ist wichtig die Impedanz zu verstehen. Sie ist entscheidend wenn es um die Sendeleistung und das Stehwellenverhältnis SWR geht. Wer etwas mit dem Begriff Ohm oder ohmscher Widerstand anfangen kann muss hier dennoch aufpassen, nicht einem Missverständnis zu unterliegen.
Bei Gleichstrom haben Leiter, Kabel und Geräte einen elektrischen Widerstand. Sie setzen dem fließenden Strom einen Widerstand entgegen. Ein normaler Widerstand, dessen Wert in Ohm gemessen wird, legt das Verhältnis von Spannung zu Strom fest. Wenn man den Moment des Ein- und Ausschaltens einer Gleichspannung außer acht lässt, ist dieses Verhältnis fix. Der Widerstand reduziert den Stromfluss und wandelt die zurück gehaltene Energie in Wärme, Arbeit, Licht usw. um. Ein Verbraucher, z.B. eine Glühbirne, ist auch eine Art Widerstand, der elektrische Leistung entnimmt und Licht und Wärme erzeugt.
Bei Wechselspannung und Strom verhält es sich anders. Jetzt besteht der Widerstand nicht mehr nur aus einem Teil der den Stromfluss behindert und Energie entnimmt, sondern jetzt gibt es einen Teil, der die Energie zwischenspeichert und wieder abgibt und einen Teil der die Veränderungen im Stromfluss abbremst. Zusammen werden diese Widerstände Impedanz genannt.
Ohne jetzt hier auch noch auf diese Details einzugehen, dieser Umstand hat Effekte. Strom und Spannung können sich zeitlich verschieben. In der Technik wird dann von kapazitiven und induktiven Blindwiderständen gesprochen, die durch die physikalischen Eigenschaften der Leiter, Antenne usw. entstehen.
Die Impedanz ist von der Frequenz abhängig. Mit steigender Frequenz nehmen diese Effekte zu. Bei den 50 Hz unseres Stromnetzes spielen diese kaum eine Rolle, im Hochfrequenzbereich schon. Um ideale Verhältnisse für das Signal zu schaffen, sollten alle Komponenten die gleiche Impedanz aufweisen. Mit anderen Worten, die Blindwiderstände sind gleich hoch und heben sich in ihrer Wirkung gegenseitig auf. Das ist das Ziel, welches jeder Funker erreichen möchte.
Im CB-Funk sind die Komponenten auf eine Impedanz von 50 Ohm bei 27 Mhz abgestimmt. Die Abstimmung aller Komponenten auf diesen Wert ist wichtig, da nur so das Funksignal ohne Reflektion von einem Medium in das nächste übergehen kann (Funkgerät > Kabel > Antenne). Andernfalls werden Teile des Signals respektive der Energie zurück reflektiert. Damit befassen sich aber die nächsten beiden Teile genauer.
Woher stammen die 50 Ohm?
Als in den 1930er Jahren mit dem Verhalten von Kabeln usw. experimentiert wurde, um herauszufinden wie am besten hochfrequente Energie (also auch Funksignale) übertragen werden kann, ergab sich der Wert von 50 Ohm. Dabei musste zwischen den entgegengesetzten Forderungen möglichst wenig Leistungsverlust zu haben und geringste Dämpfung zu erreichen, ein Kompromiss gefunden werden. Es kam heraus, dass bei 30 Ohm Impedanz die maximale Leistung übertragen werden kann, ohne dass da Kabel Schaden nimmt. Bei 77 Ohm hingegen konnten die Signale mit dem geringsten Dämpfungsverlust übertragen werden. Der Kompromiss lag in der Mitte: 50 Ohm.
Jetzt stellt sich die Frage, warum es bei der Fernsehtechnik und dem Satellitenempfaag 75 Ohm geworden sind? Der Grund liegt darin, dass die Leistung nur auf kurzen Strecken übertragen wird und daher der Leistungsverlust keine Rolle spielt. Hier kann sich den idealen 77 Ohm für geringste Dämpfung angenähert werden.
Aufbau des Funksystems
Am Anfang steht das Funkgerät, Sender und Empfänger in einem. Es speist das Signal in das Kabel ein und entnimmt dort das eingehende Signal. Nachdem was wir bsiher gelernt haben ist klar, ein einfaches Kabel funktioniert hier nicht. Es würde bereits wie eine Antenne das Signal abstrahlen und die Leistung verbrauchen. Ihr erinnert euch, weiter oben steht, dass Wechselstrom um einen Leiter elektromagnetische Felder erzeugt. Und jetzt kommt ein wichtiger Punkt: Die Energie steckt nicht im Leiter, sondern in diesen Feldern. Deshalb müssen diese „eingesperrt“ werden. Genau das macht das Koaxialkabel.
Koaxialkabel
Es ist am Funkgerät angeschlossen und stellt die Verbindung zur Antenne her. Der Name Koaxialkabel leitet sich vom Aufbau des Kabels ab: In der Mitte ist der innere Leiter, der mit dem HF-Funksignal versorgt wird. Er ist von einem äußeren Leiternetz umschlossen, welches den Gegenpotential, die Masse bildet. Dazwischen ist ein isolierendes Dielektrikum. Die Leiter laufen entlang ihrer Achse parallel, deshalb der Name Koaxialkabel.
Was ist ein Dielektrikum?
Das Dielektrikum hat drei Aufgaben:
- Es isoliert zwei Leiter voneinander.
- Es fixiert die Leiter an ihrer Position.
- Es beeinflusst die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes.
Damit sind die Geometrie, die die beiden Leiter und das Dielektrikum bilden und das Material des Dielektrikums entscheidend für die Impedanz des Koaxialkabels. Das Dielektrikum besteht meistens aus Kunststoffen wie Polyethylen (PE).
Dieser Aufbau sorgt für einen sehr wichtigen Effekt. Die elektrischen Felder, in denen die Energie steckt, sind im Dielektrikum zwischen Innen- und Außenleiter gefangen. Ein passenderes Bild wäre ein Fluss, der von seinen Ufern geführt, aber nicht gestoppt wird. Der innere und äußere Leiter sind die Ufer. Der Aufbau, insbesondere der Durchmesser des Dielektrikums bestimmt die Impedanz des Kabels. Beim Kabel ist es fast frequenzunabhängig, weshalb ein Koaxialkabel mit 50 Ohm Impedanz für einen großen Frequenzbereich verwendet werden kann.
Tyische Sorten Koaxialkabel mit 50 Ohm Impedanz:
| Koaxialkabel | Dämpfung bei 27 MHz (ca. dB / 100 m) |
Typische Anwendung | Passender Stecker | Passende Buchse / Kupplung |
|---|---|---|---|---|
| RG-58/U | ca. 11–13 dB | CB-Funk, kurze Leitungen bis ca. 10–20 m | PL-259 für RG-58 | SO-239 (UHF-Buchse) |
| RG-213/U | ca. 5–6 dB | Stationäre CB- und Amateurfunkanlagen | PL-259 für RG-213 | SO-239 (UHF-Buchse) |
| Aircell 5 | ca. 8 dB | Mobile und kompakte Installationen | PL-259 oder N-Stecker | SO-239 oder N-Buchse |
| Aircell 7 | ca. 5 dB | Hochwertige Festinstallationen | PL-259 oder N-Stecker | SO-239 oder N-Buchse |
| Ecoflex 10 | ca. 3,8 dB | Längere Leitungen mit geringer Dämpfung | PL-259 oder N-Stecker | SO-239 oder N-Buchse |
| H-155 | ca. 7–8 dB | Mobile Funkanlagen und kurze Basisstationen | PL-259, BNC, N oder SMA | SO-239, BNC-, N- oder SMA-Buchse |
| RG-174/U | ca. 22 dB | Kurzverbindungen im Geräteinneren | SMA, BNC oder Mini-UHF | Passende Gegenbuchse |
Hinweis: Alle aufgeführten Koaxialkabel besitzen eine charakteristische Impedanz von 50 Ω und sind daher grundsätzlich für CB-Funk und andere 50-Ω-HF-Anwendungen geeignet. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Dämpfung, Flexibilität und dem zulässigen Biegeradius.
Übliche Steckverbinder im CB-Funk
| Bezeichnung | Beschreibung | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| PL-259 | UHF-Stecker (Koaxstecker) | Standard-Stecker an CB-Funkgeräten und Antennenkabeln |
| SO-239 | UHF-Buchse | An Funkgeräten, Antennen und Messgeräten |
| PL-258 | UHF-Kupplung (Buchse-Buchse) | Zum Verbinden zweier PL-259-Stecker |
| N-Stecker | 50-Ω-HF-Stecker | Professionelle Funktechnik, geringe Verluste |
| N-Buchse | Passende Buchse zum N-Stecker | Basisstationen und Messtechnik |
| BNC | Bajonett-Steckverbinder | Messgeräte und Laboranwendungen |
| SMA | Kompakter Schraubstecker | Handfunkgeräte, WLAN und GPS |
Warum bleibt das Signal und die Energie im Koaxialkabel gefangen?
Wer es jetzt genau wissen will, warum die Energie und damit das Funksignal das Koaxialkabel nicht verlassen kann, sollte kurz weiterlesen.
Dazu müsst ihr euch den Aufbau genauer ansehen. Der innere Leiter und der äußere Leiter haben ein unterschiedliches Spannungspotential und sie liegen sich dicht gegenüber. Der Außenleiter behält dabei idealerweise sein Potential, sagen wir 0 Volt. In der Hochfrequenztechnik wird dennoch lieber von Rückleiter gesprochen, als von Masse oder Minuspol. Der Innenleiter transportiert das HF-Signal. Dort ändert sich ständig die Polarität. Vom Innenleiter entstehen daher die elektrischen Felder, in denen die transportierte Energie steckt. Sie breiten sich radial bis zum Außenleiter aus und nur bis zum Außenleiter. Das ist jetzt anders als bei der Antenne. Dort gibt es dieses „Gegenpol“ nicht, weshalb die Wellen weiter in den Raum laufen.
Der Außenleiter eines Koaxialkabels wirkt wie ein Faradayscher Käfig für das elektrische Feld vom Innenleiter. Die durch den Innenleiter verursachte Ladungsverteilung hält die elektrischen Feldlinien zwischen Innen- und Außenleiter, während der gleich große Rückstrom im Außenleiter die Magnetfelder außerhalb nahezu aufhebt. Dadurch bleibt die elektromagnetische Energie im Koaxialkabel.
